JP3499631B2 - 半導体波長変換素子 - Google Patents

半導体波長変換素子

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JP3499631B2
JP3499631B2 JP04201495A JP4201495A JP3499631B2 JP 3499631 B2 JP3499631 B2 JP 3499631B2 JP 04201495 A JP04201495 A JP 04201495A JP 4201495 A JP4201495 A JP 4201495A JP 3499631 B2 JP3499631 B2 JP 3499631B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、波長変換に四光波混合
を利用した半導体波長変換素子に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体レーザ、低損失光ファイバ、光フ
ァイバ増幅器、高速集積回路などのオプトエレクトロニ
クス関連技術の発展により、毎秒10ギガビットという
大量の情報を長距離伝送することが可能となった。
【0003】しかし、来るべきマルチメディア時代にお
いては、一般の末端利用者も高精細映像情報など大量の
情報をリアルタイムで利用することになるので、さらに
大容量の情報を伝送・処理できるインフラストラクチャ
ーの構築が必要になる。
【0004】光ファイバの広帯域特性を生かして大容量
の情報の伝送・処理を行うには、光周波数多重技術を用
いるのが妥当と考えられる。大規模で効率的な光周波数
多重ネットワークの実現に向けて、光電変換を行うこと
なしに直接光周波数を変えられる波長変換素子の実用化
が望まれている。波長変換素子は、超高速パルスを用い
た光時間多重伝送システムにおいて、特定のタイミング
の信号を波長変換して選択する光デマルチプレクサにも
応用される。
【0005】このような目的で用いられる波長変換素子
に要請される特性としては、波長変換帯域が広いこと、
帯域内の任意の波長間の変換ができること、高速の変調
信号に追従すること、変換効率が高いことなどが挙げら
れる。このような要請に沿う波長変換素子として、進行
波型半導体レーザ増幅器の四光波混合を波長変換に用い
た半導体波長変換素子の開発が進められている。
【0006】図8は、進行波型半導体レーザ増幅器の四
光波混合を波長変換に用いた従来の半導体波長変換素子
からなる波長変換システムを示す図である。図中、各段
階における光スペクトルも示してある。
【0007】半導体波長変換素子は、InGaAsP活
性層74をp型InPクラッド層75とn型クラッド層
の機能を兼用するn型InP基板71とで挟んだダブル
ヘテロ構造の半導体光導波路と、活性層74に電流を注
入するための電極81,82と、半導体光導波路の両端
面における光反射を防止するための反射防止膜83とか
ら構成されている。
【0008】このように構成された半導体波長変換素子
によれば、活性層74に高密度に注入されたキャリアの
反転分布により誘導放出利得が生じるので、半導体光導
波路を伝搬する利得帯域内の波長の光は増幅される。ま
た、両端面には反射防止膜83が形成されているので、
高電流注入条件下でもレーザ発振は抑制され、高利得の
光増幅が可能となる。
【0009】利得帯域内の角周波数ω1 の励起光と角周
波数ω2 の信号光を合波して、この半導体波長変換素子
に入射すると、半導体光導波路内部には、励起光と信号
光とのビートにより、角周波数Ω=ω1 −ω2 の光電界
強度変化が生じる。
【0010】このとき、InGaAsP活性層74の内
部の光電界強度に対する利得や屈折率の非線形応答のた
め、角周波数ωの光は角周波数Ωで強度変調や位相変調
を受けることになり、角周波数ω±nΩ(nは整数)の
成分を生じることになる。
【0011】いま、入力端z=0における励起光パワー
1 (0)が信号光パワーP2 (0)より遥かに大きい
ものとすると、出力端z=lにおいて角周波数ω1 の励
起光と角周波数ω2 の信号光との他に、角周波数ω3
(=ω1 +Ω)の共役光が現れるので、角周波数ω3
共役光のみを狭帯域光フィルタ84で選択して取り出
す。通常、共役光の出力パワーは小さいので、光増幅器
85により増幅してから用いられる。
【0012】信号光の強度や周波数が変調されている場
合は、共役光も強度や周波数が変調された状態で出力さ
れるので、信号の搬送波である光の波長変換が行われた
ことになる。ただし、共役光のスペクトルは元の信号光
と反転している。
【0013】この現象は、ω3 =ω1 +ω1 −ω2 の四
光波混合として説明される。ω1 はω2 より大きくても
小さくても良く、ω1 をチューニングすることにより、
帯域内の任意の波長に信号を変換することができる。
J.Zhou,et al.,IEEE Photon
ics Technol.Lett.,Vol.6,N
o.1,pp.50−52,1994によれば、変換効
率ηはdB表示で、
【0014】
【数1】 で与えられる。
【0015】ここで、G[dB]は増幅器の利得、Ip
[dB]は励起光パワーで10log101 (0)に等
しく、Cm とτm (m=1,2,3)はそれぞれ四光波
混合の原因となる三つの主要な寄与の複素結合係数と時
定数である。
【0016】変換効率ηは増幅利得Gの三乗と励起光パ
ワーIp の二乗に比例するため、変換効率ηは大きな値
となる。四光波混合の原因となる主要な機構は、キャリ
ア密度変化(m=1)、キャリア・ヒーティング(n=
2)およびスペクトラル・ホール・バーニング(m=
3)の三つである。
【0017】キャリア密度変化による四光波混合は、誘
導放出により光電界の強い部分でキャリアが減少して、
利得が減少したり、屈折率が変化したりすることにより
生じる。その時定数は誘導放出も考慮した実効的なキャ
リア寿命で支配される。
【0018】キャリア・ヒーティングは、バンド内光吸
収や誘導放出などの影響でキャリア温度が変化し、利得
や屈折率が変化することにより生じる。その時定数は、
キャリアのエネルギ分布がフォノンとの非弾性衝突など
により格子温度のエネルギ分布に緩和する時間で支配さ
れる。
【0019】スペクトラル・ホール・バーニングは、誘
導放出やバンド内光吸収などの影響でキャリアのエネル
ギ分布がフェルミ分布からずれて、利得や屈折率が変化
することにより生じる。その時定数は、キャリア同士の
衝突などでエネルギ分布がフェルミ分布に緩和する時間
で支配される。
【0020】図9は、前記文献に示されている伸張歪I
nGaAs/InGaAsP進行波型半導体レーザ増幅
器の波長変換効率ηのΩ依存性である。四角印はω2
ω3の場合、丸印はω2 <ω3 の場合であり、3.4T
Hz(波長差27nm)の広範囲に渡る波長変換が実現
されている。
【0021】式(I)へのフィッティングより、C1
0.24e-i1.30、τ1 =200ps、C2 =0.00
27ei1.30 、τ2 =650fs、C3 =0.0004
8ei1.53 、τ3 =50fsが得られている。
【0022】時定数τ1 、τ2 、τ3 に相当するカット
オフ周波数(波長差)は、それぞれ800MHz(0.
0064nm)、240GHz(1.9nm)、3.4
THz(27nm)である。
【0023】また、図9において、点線は20dB/d
ecの傾きを示しており、キャリア密度変化のみが原因
と仮定すると、変換効率ηはこの傾きに沿って低下する
ことになる。波長シフト量1nm付近から上の膨らみは
キャリア・ヒーティングの寄与、20nm前後の傾きの
変化はスペクトラル・ホール・バーニングの寄与であ
る。1〜10nm程度の波長シフトで重要なのはキャリ
ア・ヒーティングの寄与であるが、C2 の絶対値が十分
に大きくないため、変換効率としては−50dBから−
65dBの値にとどまっている。
【0024】すなわち、従来の進行波型半導体レーザ増
幅器の四光波混合を用いた半導体波長変換素子による波
長変換では、キャリア・ヒーティングによる非線形性に
より波長差10nm以上の広帯域の変換が可能である
が、キャリア・ヒーティングによる非線形性がそれほど
大きくないために、波長差1nm以上の波長変換では変
換効率が低いという問題があった。
【0025】換言すれば、波長差1nm以上の波長変換
では、共役光のパワーは、励起光のパワー、信号光のパ
ワーおよび半導体レーザ増幅器の雑音レベルに対して低
い値となる。具体的には、共役光のパワーは、信号光の
出力パワーより20dB程度、励起光出力パワーよりも
40dB程度低くなる。また、AES(Amplified Spon
taneous Emission)ノイズレベルと共役光パワーレベル
との差も高々20dB程度しかとれなかった。
【0026】この結果、出射光(ω1 ,ω2 ,ω3 )か
ら共役成分(ω3 )のみを選択する狭帯域光フィルタ8
4の消光比に対するスペックが厳しくなるうえ、信号対
雑音比(S/N比)が悪くなるという問題が生じる。
【0027】
【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の進
行波型半導体レーザ増幅器の四光波混合を用いた半導体
波長変換素子は、キャリア・ヒーティングによる非線形
性がそれほど大きくないので、波長差1nm以上の波長
変換では変換効率が低いという問題があった。また、こ
のような問題により、狭帯域光フィルタの消光比に対す
るスペックが厳しくなったり、S/N比が悪くなるとい
う問題も起きていた。本発明は、上記事情を考慮してな
されたもので、その目的とするところは、従来よりも、
変換効率の高い半導体波長変換素子を提供することにあ
る。
【0028】
【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、バンド
内吸収の共鳴波長が進行波型半導体レーザ増幅器の利得
帯域内に設定された半導体層を有する半導体光導波路を
用いることにより、変換効率を高めることにある。
【0029】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明に係る
半導体波長変換素子は、二つのクラッド層により活性層
を挟持してなる半導体光導波路からなる進行波型半導体
レーザ増幅器を有し、前記半導体光導波路内における四
光波混合により前記半導体光導波路に入射した光と角周
波数が異なる光を生成するものであって、前記半導体光
導波路はバンド内吸収の共鳴波長が前記進行波型半導体
レーザ増幅器の利得帯域内に設定された前記活性層より
も禁制帯幅が大きい材料からなる半導体層を有し、か
つ、前記半導体層と前記活性層とは近接積層され、一体
の光導波路を構成していることを特徴とする。
【0030】ここで、上記半導体層は、半導体光導波路
を導波される光のパワー分布領域の中にあれば、活性層
自体であっても、クラッド層の一部であっても、また、
活性層ともクラッド層とも異なる別の半導体層であって
もよい。
【0031】バンド内共鳴吸収の具体例としては、重い
正孔帯や軽い正孔帯からスピン軌道分離帯への価電子帯
間吸収、量子井戸における伝導帯や価電子帯のサブバン
ド間吸収があげられる。
【0032】四光波混合とは、非線形媒質中で三つの入
力光を混合させて、第4の出力光を生じさせる非線形過
程である。三つの入力波は、二つの励起光と信号光とか
らなる。二つの励起光は同じでも良い。この場合、入力
光の実質的な数は2となる。
【0033】具体的には、例えば、進行波型半導体レー
ザ増幅器の利得波長帯域内にある第1の角周波数ω1
光と第2の角周波数ω2 =ω1 −Ω(Ωはゼロでない)
の光とを入射したときに、半導体光導波路内の四光波混
合により、第3の角周波数ω3 =ω1 +Ωの光が生成さ
れ、出力される。
【0034】
【作用】伝導帯や価電子帯のサブバンド間遷移や、価電
子帯間遷移のようなバンド内遷移(バンド内吸収)によ
る非線形感受率は、バンド間遷移による非線形感受率よ
り大きい。
【0035】ここで、入射光の波長がバンド内吸収の共
鳴波長と一致している場合、バンド内共鳴吸収でバンド
内のキャリア・エネルギ分布が大きく変化し、吸収係数
や屈折率も大きく変化するので、バンド内共鳴吸収のな
い場合のキャリア・ヒーティングによる変換効率(=α
×複素結合係数 α:係数)よりも大きな値を有する変
換効率が得られる。
【0036】したがって、バンド内吸収の共鳴波長が進
行波型半導体レーザ増幅器の利得帯域内に設定された半
導体層を有する半導体光導波路を用いた本発明に係る半
導体波長変換素子によれば、バンド内共鳴吸収のない場
合の従来の半導体波長変換素子よりも高い変換効率が得
られる。
【0037】また、バンド内吸収で高いレベルに励起さ
れたキャリアが元のレベルに戻る緩和の機構は以下の通
りである。すなわち、フォノンとの衝突を介した低いレ
ベルの高いエネルギ状態への遷移過程、キャリア同士の
衝突によるフェルミ分布への緩和過程、フォノンとの衝
突によりキャリア温度が格子温度に緩和する過程などか
らなる。
【0038】これらの緩和過程はスペクトラル・ホール
バーニングとキャリア・ヒーティングの緩和と基本的に
同じである。その緩和時間は上記過程で最も遅いキャリ
ア・ヒーティングの緩和時間で支配され、数百フェムト
秒からピコ秒程度という短い時間である。
【0039】したがって、励起光と信号光との波長差が
大きくなっても、つまり、高帯域にわたって、変換効率
の低下は穏やかなものとなる。よって、本発明によれ
ば、高効率・広帯域の波長変換を行える半導体波長変換
素子を実現できるようになる。
【0040】
【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。 (第1の実施例)図1は、本発明の第1の実施例に係る
進行波型半導体レーザ増幅器の四光波混合を波長変換に
用いた半導体波長変換素子の一部を切欠して示す斜視図
である。
【0041】図中、1はn型クラッド層を兼ねるn型I
nP基板を示しており、このn型InP基板1にはスト
ライプ状の半導体光導波路2が形成されている。この半
導体光導波路2は、n型クラッド層(n型InP基板
1)と、アンドープInGaAsP光導波層3と、アン
ドープ歪InGaAs/歪AlAs量子井戸からなる歪
量子井戸活性層4と、InGaAsP光導波層5と、p
型InPクラッド層6とが順次積層された構造になって
いる。また、p型InPクラッド層6上にはp型InG
aAsPオーミック・コンタクト層7が設けられてい
る。
【0042】半導体光導波路2の両横には、電流を半導
体光導波路2に狭窄するためのp型InP層8とn型I
nP層9からなる埋込み層が形成されている。また、p
型InGaAsPオーミック・コンタクト層7の上部、
InP基板1の下部には、それぞれ、p側オーミック電
極11、n側オーミック電極12が形成されている。入
出射端面には反射防止膜13が被着されており、これに
より、端面反射率は0.1%以下に抑えられている。
【0043】この半導体波長変換素子は、下部電極12
を介して、ヒートシンクと接地を兼ねるAuコートAl
Nサブマウント付きCuマウント(不図示)に搭載さ
れ、ボンディングにより給電ラインと接続されている。
【0044】そして、この半導体波長変換素子は、入出
力用光ファイバ、この入出力用光ファイバと低損失な光
結合を実現するための非球面レンズ対、光アイソレータ
およびペルチエ冷却器などともにモジュールに組み込ま
れて使われる。
【0045】図8の従来の半導体波長変換素子のよう
に、光分合波器、狭帯域光フィルタ、光増幅器などと組
み合わせて用いることで、信号の搬送波である光の波長
変換を行うことができる。
【0046】本実施例の場合、歪量子井戸活性層4が、
バンド内吸収の共鳴波長が進行波型半導体レーザ増幅器
の利得帯域内に設定された半導体層として働く。図2
に、半導体光導波路2を構成する歪量子井戸活性層4の
主要部の伝導帯のバンド構造を示す。
【0047】歪量子井戸活性層4は、薄いInGaAs
井戸層14が薄い伸張歪AlAs障壁層15で挾まれた
基本構造を20周期積層した構造をしている。InGa
As井戸層14の内部には、第1のサブバンド16,第
2のサブバンド17が存在している。
【0048】第1のサブバンド16から第2のサブバン
ド17への遷移はパリティ則により許容遷移となる。伸
張歪AlAs障壁層15が薄いため、各InGaAs井
戸層14のサブバンド16,17はトンネリングで結合
し、ミニバンドを形成している。そのサブバンド間遷移
エネルギは約0.8eV(共鳴波長1.55μm)であ
る。
【0049】このような大きなサブバンド間隔が実現で
きることは、J.H.Smet et al.,App
l.Phys.Lett.,Vol.64,pp.98
6−987,1994に示されている。
【0050】歪量子井戸活性層4には、波長1.55μ
m付近の光に対して十分な利得を持つように電流が注入
される。このため、第1のサブバンド16にはトンネリ
ングを介して高密度の電子が注入され、価電子帯には正
孔が注入される。
【0051】この電子と正孔の反転分布によって、歪量
子井戸活性層4に誘導放出利得が生じ、半導体光導波路
2に入射した波長1.55μm近傍の光が増幅されるこ
とになる。
【0052】角周波数ω1 の励起光と角周波数ω2 =ω
1 −Ωの信号光とが同時に入射すると、従来の進行波型
半導体レーザ増幅器の場合と同様に、ビート周波数Ωで
利得や屈折率が変調され、四光波混合により、角周波数
ω3 =ω1 +Ωの成分が発生する。従来の半導体波長変
換素子と同様に、外部に設けられた狭帯域光フィルタに
よりω3 成分のみを取り出すことができる。
【0053】本実施例では、伝導帯の第1のサブバンド
16と第2のサブバンド17の吸収共鳴波長が利得波長
と一致しているため、図3に示すように、第1のサブバ
ンドの電子は半導体光導波路内の光の一部を吸収して第
2のサブバンド17に励起される。
【0054】第2のサブバンド17に励起された電子
は、ごく短時間のうちにフォノンとの衝突を介して第1
のサブバンド16の高エネルギ状態に遷移する。この高
エネルギ状態の電子は、電子やフォノンとの衝突を繰り
返しながら、元のエネルギの状態に緩和していく(バン
ド内キャリア緩和)。
【0055】このバンド内キャリア緩和過程は、基本的
にスペクトラル・ホールバーニングとキャリア・ヒーテ
ィングの緩和と同じであり、数百フェムト秒から数ピコ
秒の短い時定数を有している。
【0056】従来の半導体波長変換素子でバンド内のキ
ャリアのエネルギ分布を変調する原因は、誘導放出に伴
うスペクトラル・ホールバーニングを除けば、自由キャ
リア吸収や二光子吸収などの非線形効果のみで、それほ
ど大きな非線形性は現れなかった。
【0057】これに対して、本実施例のようにバンド内
共鳴吸収が起こる場合は、ビート周波数Ωで光電界強度
が変化すると、それに伴って電子のエネルギ分布が大き
く変化するので、屈折率や利得が大きな変調を受ける。
このバンド内吸収の四光波混合へ寄与(複素結合効率C
4 、時定数τ4 )を式(I)に付加すると、変換効率は
【0058】
【数2】 と表される。
【0059】この緩和過程は上記のように幾つかの異な
る時定数を持つ過程の複合過程であり、正確にはさらに
第五の寄与(C5 、τ5 )などを付加して表すべきもの
である。
【0060】本実施例のように、活性層とサブバンド間
共鳴吸収層が一致している場合は、サブバンド間遷移に
よる新たな寄与と考えずに、バンド内共鳴吸収でC2
3が強調されて大きくなると考えることも可能であ
る。
【0061】ここでは説明を単純化するために、バンド
内共鳴吸収で大きくなったキャリア・ヒーティングと同
程度の時定数を持つ成分をC4 、τ4 で表すものとす
る。図4に、本実施例(本発明)の半導体波長変換素子
による相対波長変換効率(実線)を、従来の半導体波長
変換素子のそれ(破線)と比較して示す。
【0062】図4から、本発明によれば、波長差が1n
mを越えても高い相対波長変換効率が実現されているこ
とが分かる。つまり、本発明によれば、従来よりも、広
帯域で、高効率な波長変換を実現することができる。こ
れは、本発明の場合、複素結合効率C4 の絶対値が大き
く、つまり、変換効率が高く、かつ緩和時間τ4 がτ緩
衝時間2 と同程度であるからである。もちろん、信号が
数十Gb/s以上の高速変調されていても応答するし、
1ps前後の短光制御パルスによる光時分割多重信号の
光デマルチプレクシングにも用いることができる。
【0063】サブバンド間遷移は、通常、TMモードに
対して許容、TEモードに対して禁止遷移となるが、大
きなエネルギの遷移の場合、伝導帯の分散曲線の放物線
からのずれや歪みによる対称性の低下などにより、TE
モードに対しても吸収が観測されることが知られてい
る。
【0064】したがって、励起光、信号光、共役光の偏
波として様々な組み合わせが可能であり、好ましい吸収
係数や非線形感受率を選ぶことができる。偏波が直交し
た光を組み合わせると、光の合分波に偏波カプラを利用
でき、便利である。
【0065】伝導帯の各サブバンドの量子井戸に平行な
波数に対するエネルギ分散曲線はほぼ平行なので、サブ
バンド間吸収のスペクトル半値幅は狭いのが普通であ
る。しかし、本実施例の量子井戸ではミニバンドの形成
で半値幅が広がっているうえ、分散曲線の放物線からの
ずれもあり、使用する波長範囲に渡って十分な共鳴吸収
が実現される。
【0066】なお、サブバンド間吸収により、半導体レ
ーザ増幅器としての正味の利得は減少するが、この影響
は外部に光増幅器を接続することで補償することができ
る。以上述べたように、本実施例の半導体波長変換素子
によれば、高い変換効率が実現できる。この結果、従来
の半導体波長変換素子では大きかった励起光と共役光と
の間のレベル差、信号光と共役光との間のレベル差は小
さくなり、半導体レーザ増幅器の雑音と共役光との間の
レベル差は大きくなる。したがって、本実施例によれ
ば、狭帯域光フィルタの消光比に対するスペックが緩や
かになり、また、S/N比も高くなる。 (第2の実施例)図5は、本発明の第2の実施例に係る
進行波型半導体レーザ増幅器の四光波混合を波長変換に
用いた半導体波長変換素子の一部を切欠して示す斜視図
である。
【0067】本実施例の半導体波長変換素子は、InG
aAsP活性層44への電流注入経路の外に、半導体光
導波路42の一部になるように、n型GaN/AlN量
子井戸からなるサブバンド間遷移共鳴吸収層32を形成
したものである。
【0068】p型InP基板41には、ストライプ状の
半導体光導波路42が形成されている。すなわち、この
半導体光導波路42は、下部クラッド層を兼ねるInP
基板41、p- 型InGaAsP光導波層43、アンド
ープInGaAs/InGaAsP量子井戸活性層4
4、n型InGaAsP光導波層45、アンドープIn
GaN層31、n型GaN/AlN量子井戸からなるサ
ブバンド間遷移共鳴吸収層32、上部クラッド層として
のアンドープAlGaN層33が順次積層された構造を
している。
【0069】半導体光導波路42の外部は、n型InP
層48とp型InP層49とからなる電流狭窄層、およ
び活性層44の側面に接触するように積層されたn型I
nGaAsP層47により囲まれている。
【0070】半導体光導波路42の両側面には溝35が
形成されており、リッジ型の半導体光導波路を構成して
いる。また、上部と下部にはそれぞれ上部オーミック電
極36,下部オーミック電極37が設けられている。
【0071】入出射端面には反射防止膜38が形成され
ており、半導体光導波路42が端面まで届いていない、
いわゆる窓構造との組み合わせにより、端面反射率は
0.01%以下に抑えられている。
【0072】このような素子構造は、例えば、以下のよ
うにして形成することができる。まず、p- 型InGa
AsP光導波層43、アンドープInGaAs/InG
aAsP量子井戸活性層44、n型InGaAsP光導
波層45がエピタキシャル成長された第1の基板を用意
する。
【0073】また、これとは別に、サファイヤなどから
なる第2の基板30上に、ZnO層を介して、InGa
N層31、サブバンド間遷移共鳴吸収層32、AlGa
N層33からなる窒化物エピタキシャル多層膜を形成す
る。
【0074】次に、ZnO層の選択エッチングにより第
2の基板と窒化物エピタキシャル多層膜を分離する。こ
のエピタキシャル多層膜を、n型InGaAsP光導波
層45とアンドープInGaN層31とが向き合うよう
に、第1の基板に圧着し、水素雰囲気中で高温処理を行
うことにより一体化する。どちらの層31,45もIn
を含むため、良好な直接接着が可能である。
【0075】この直接接着積層構造をドライ・エッチン
グで半導体光導波路42の形に加工した後、窒化物エピ
タキシャル多層膜を選択成長マスクとして、埋め込み層
としてのn型InP層48、p型InP層49およびn
型InGaAsP層4747をエピタキシャル成長す
る。
【0076】次に、半導体光導波路42の側面のドライ
エッチングによる溝35の形成、上部オーミック電極3
6の形成、第1の基板40の裏面研磨、下部電極37の
形成、へき開やダイシングによるチップ切り出し、反射
防止膜38の形成などの工程を経て、図5に示す素子構
造が完成する。
【0077】本実施例では、電子は上部オーミック電極
36からn型InGaAsP層47やn型InGaAs
P光導波層45を介してアンドープInGaAs/In
GaAsP量子井戸活性層44に注入される。アンドー
プInGaAs/InGaAsP量子井戸活性層44の
電流注入時の利得スペクトルのピークは0.8eV付近
に設定されている。
【0078】InGaN、GaN、AlNの禁制帯幅は
InPやInGaAsPの禁制帯幅よりずっと大きく、
キャリアに対するエネルギ障壁が高いため、キャリアの
注入は起こらない。
【0079】GaNの禁制帯幅が広いため、波長1.5
5μmの光が入射しても二光子吸収は生じず、GaN井
戸層のキャリア密度はほとんど変動しない。GaNとA
lNの伝導帯バンド不連続が大きいため、伝導帯には深
い量子井戸が形成されている。GaNの伝導帯の底はΓ
1 点であるが、約1eV上にΓ3 点も存在する。
【0080】サブバンド間遷移共鳴吸収層32はn型に
ドーピングされているので、光が存在しない状態では、
Γ1 の第1のサブバンドに電子が分布している。本実施
例では、Γ1 の第1のサブバンドとΓ1 の第2のサブバ
ンドとの間のエネルギ差が0.8eVになるように、サ
ブバンド間遷移共鳴吸収層32の井戸幅が設定されてい
る。しかし、サブバンド間吸収として、Γ1 の第1のサ
ブバンドからΓ1 の高次のサブバンドへの吸収、Γ1
第1のサブバンドからΓ3 のサブバンドへの吸収など、
異なる組み合わせのサブバンド間遷移を利用しても良
い。
【0081】光は、量子井戸活性層44付近に分布ピー
クを持つが一部はサブバンド間遷移共鳴吸収層32に染
み出すようなモードで導波される。したがって、サブバ
ンド間遷移共鳴吸収層32の第1のサブバンドの電子
は、導波光の一部を吸収して、第2のサブバンドに励起
される。このとき、導波光の強度に依存して吸収係数や
屈折率が変化するので、四光波混合が生じる。
【0082】このように、本実施例の半導体波長変換素
子の動作も、バンド内共鳴吸収が量子井戸活性層44と
は別に形成されたサブバンド間遷移共鳴吸収層32で生
じることを除けば、第1の実施例の場合と基本的に同じ
であり、広帯域で高効率の波長変換動作が実現される。 (第3の実施例)図6は、本発明の第3の実施例に係る
進行波型半導体レーザ増幅器の四光波混合を波長変換に
用いた半導体波長変換素子の斜視図である。
【0083】図中、51はp型クラッド層を兼ねるp型
CdTe基板を示しており、このp型CdTe基板51
には半導体光導波路52が形成されている。すなわち、
半導体光導波路52は、p型クラッド層(p型CdTe
基板)51と、Hg0.3 Cd0.7 Te活性層54、メサ
型のn型CdTeクラッド層55が順次積層されてな
り、n型CdTeクラッド層55のストライプ形状によ
り導波路が規定されている。
【0084】半導体光導波路52の入出射端面には反射
防止膜53が設けられている。n型CdTeクラッド層
55のメサ部上にはn側電極56が設けられ、p型Cd
Te基板51にはp側電極57が設けられている。n側
電極56、p側電極57によりHg0.3 Cd0.7 Te活
性層54に電流が注入される。Hg0.3 Cd0.7 Te活
性層54は波長1.3μm付近に誘導放出利得を有す
る。
【0085】本実施例の場合、Hg0.3 Cd0.7 Te活
性層54が、バンド内吸収の共鳴波長が進行波型半導体
レーザ増幅器の利得帯域内に設定された半導体層であ
る。図7に、Hg1-x Cdx TeのバンドギャップEg
とスピン軌道分離エネルギΔ0 の組成依存性を示す。H
0.3 Cd0.7 TeではEg〜Δ0 となっており、その
共鳴波長は約1.3μmである。この波長の導波光がH
0.3 Cd0.7 Te導波層24に入射した場合、価電子
帯間の共鳴吸収により正孔のスピン軌道分離帯への励起
が生じる。
【0086】この系では、ブリルアン帯のΓ点付近にお
ける各価電子帯の有効質量は約0.4m0 で、差が小さ
い(分散曲線が平行に近く結合状態密度が大きい)た
め、吸収係数も大きい。したがって、誘導放出利得によ
る増幅と価電子帯間吸収の両者が同時に生じ、正孔のエ
ネルギ分布の変化に伴って屈折率や利得が大きく変化す
るので、大きな非線形性が生じ、変換効率が高くなる。
【0087】また、この系では、価電子帯間吸収の緩和
時間も数百フェムト秒と短い。したがって、波長差が大
きくなっても、変換効率の低下は小さい。よって、本実
施例でも、伝導帯サブバンド間遷移を用いた第1の実施
例や第2の実施例と同様に、広帯域で高効率の波長変換
動作を実現することができる。
【0088】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではない。例えば、活性層やバンド内共鳴吸収層の材
料や組成や各層の厚さ、半導体光導波路の断面構造など
も、上記実施例に限定されるものではない。素子構造を
変えれば、利得波長、吸収係数、非線形性の大きさ、偏
波特性などを変えることが可能である。
【0089】また、上記実施例では、バンド内吸収の共
鳴波長が進行波型半導体レーザ増幅器の利得帯域内に設
定された半導体層が、活性層自体の場合、活性層ともク
ラッド層とも異なる別の半導体層の場合について説明し
たが、クラッド層の一部であっても良い。要は半導体光
導波路を導波される光のパワー分布領域の中にあれば良
い。
【0090】また、半導体波長変換素子は単独の素子で
ある必要はなく、半導体レーザ、光変調器、光スイッ
チ、光合分波器、波長選択素子、受光素子、他の半導体
波長変換素子などと集積化されていても良い。
【0091】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、バ
ンド内吸収の共鳴波長が進行波型半導体レーザ増幅器の
利得帯域内に設定された半導体層を有する半導体光導波
路を用いることにより、広帯域で高効率な半導体波長変
換素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例に係る波長変換に四光波
混合を用いた半導体波長変換素子の一部を切欠して示す
斜視図
【図2】図1の半導体波長変換素子の半導体光導波路を
構成する歪量子井戸活性層の伝導帯のバンド構造を示す
【図3】図1の半導体波長変換素子のキャリアの状態の
変化を示す図
【図4】本発明の半導体波長変換素子による相対波長変
換効率を、従来の半導体波長変換素子のそれと比較して
示す図
【図5】本発明の第2の実施例に係る波長変換に四光波
混合を用いた半導体波長変換素子の一部を切欠して示す
斜視図
【図6】本発明の第3の実施例に係る波長変換に四光波
混合を用いた半導体波長変換素子の斜視図
【図7】Hg1-x Cdx TeのバンドギャップEgとス
ピン軌道分離エネルギΔ0 の組成依存性を示す特性図
【図8】従来の四光波混合を用いた半導体波長変換素子
からなる波長変換システムを示す図
【図9】伸張歪InGaAs/InGaAsP進行波型
半導体レーザ増幅器の波長変換効率ηのΩ依存性を示す
【符号の説明】
1…n型InP基板 2…半導体光導波路 3…アンドープInGaAsP光導波層 4…歪量子井戸活性層 5…InGaAsP光導波層 6…p型InPクラッド層 7…p型InGaAsPオーミック・コンタクト層 8…p型InP層 9…n型InP層 11…p側オーミック電極 12…n側オーミック電極 13…反射防止膜 14…InGaAs井戸層 15…伸張歪AlAs障壁層 16…第1のサブバンド 17…第2のサブバンド 31…アンドープInGaN層 32…サブバンド間遷移共鳴吸収層 33…アンドープAlGaN層 35…溝 36…上部オーミック電極 37…下部オーミック電極 38…反射防止膜 41…p型InP基板 42…半導体光導波路 43…p- 型InGaAsP光導波層 44…アンドープInGaAs/InGaAsP量子井
戸活性層 45…n型InGaAsP光導波層 47…n型InGaAsP層 48…n型InP層 49…p型InP層 51…p型CdTe基板 52…半導体光導波路 53…反射防止膜 54…Hg0.3 Cd0.7 Te活性層 55…n型CdTeクラッド層 56…n側電極 57…p側電極
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−272433(JP,A) 特開 平4−1617(JP,A) Jianhui Zhou et a l,Terahertz four−w ave mixing spectro scopy for study of ultrafast dynamic s in a SOA,Appl.Ph ys.Lett.,1993年 8月30日, vol.63,no.9,pp.1179− 1181 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/35 H01S 3/10 H01S 5/30

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 二つのクラッド層により活性層を挟持し
    てなる半導体光導波路からなる進行波型半導体レーザ増
    幅器を有し、前記半導体光導波路内における四光波混合
    により前記半導体光導波路に入射した光と角周波数が異
    なる光を生成する半導体波長変換素子であって、前記半
    導体光導波路はバンド内吸収の共鳴波長が前記進行波型
    半導体レーザ増幅器の利得帯域内に設定された前記活性
    層よりも禁制帯幅が大きい材料からなる半導体層を有
    し、かつ、前記半導体層と前記活性層とは近接積層さ
    れ、一体の光導波路を構成していることを特徴とする半
    導体波長変換素子。
  2. 【請求項2】 前記半導体層はn形量子井戸からなるサ
    ブバンド間遷移共鳴吸収層であり、前記バンド内吸収は
    サブバンド間吸収であることを特徴とする請求項1に記
    載の半導体波長変換素子。
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Jianhui Zhou et al,Terahertz four−wave mixing spectroscopy for study of ultrafast dynamics in a SOA,Appl.Phys.Lett.,1993年 8月30日,vol.63,no.9,pp.1179−1181

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